【Linux】进程间通信——共享内存

共享内存（Shared Memory）

什么是共享内存

共享内存（Shared Memory）是一种 进程间通信（IPC） 机制，允许多个进程共享同一块物理内存，从而提高数据交换效率。相比其他 IPC 方式（如管道、消息队列等），共享内存具有 速度快、低开销 的优势，因为数据直接存储在内存中，而无需通过内核进行数据拷贝。

2. 共享内存的特点

• 高效：数据直接在内存中共享，避免了进程间数据拷贝的开销。
• 进程可见：多个进程可以同时访问同一块共享内存，实现高速数据传输。
• 需要同步机制：由于多个进程可以并发访问共享内存，通常需要使用 信号量（Semaphore） 或 互斥锁（Mutex） 来防止数据竞争。

3.共享内存的主要函数

函数	作用
shmget()	创建或获取一个共享内存段
shmat()	将共享内存附加到进程地址空间
shmdt()	解除共享内存与进程的关联
shmctl()	控制共享内存（删除、修改权限等）

3.1.shmget()

shmget表示获取共享内存，第一个参数key表示共享内存的键值，用于标识唯一的共享内存段。

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这个参数由用户个人设置，但是通常用ftok函数来获取key。

ftok函数通过一定的算法来获取相对不会重复的key值，第一个参数是路径，第二个参数随机填一个数，通过算法获取相对唯一的key值。

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shmget的第二个参数表示共享内存的大小，第三个参数表示标志位，如何创建共享内存和设置共享内存的权限。

第三个参数有特定的宏可以选择，红框框起来的是常用的两个。
IPC_CREAT：单独使用表示获取共享内存，如果存在则报错
IPC_CREAT | IPC_EXCL：表示创建共享内存
IPC_EXCL：单独使用没有意义

3.2.shmat

当我们获取到共享内存的时候，我们需要将共享内存挂接到虚拟内存地址当中，这时就需要用到这个接口。

用下面简图表示挂接：

shmget的第一个参数shmid表示shmget的返回值，会返回一个shmid，第二个参数表示我们可以指定一个虚拟地址，挂接到指定的虚拟地址上，但是一般情况下我们都会默认使用分配的虚拟地址，所以第二个参数一般情况下都会填nullptr，第三个参数表示标志位，用于控制映射方式（常用 0 或 SHM_RDONLY）。

3.3.shmdt

去关联，和上一个关联恰好相反，一个是关联一个是去关联。

3.4.shmctl

这个函数是用于控制共享内存的，在命令行我们一般用ipcrm -m shmid这个命令来删除共享内存，但是在代码层面，我们一般用shmctl这个函数来控制共享内存，可以进行删除修改权限等操作。

第二个参数表示标志位进行什么操作，下面是可以进行的操作，红框框起来的，表示删除共享内存，我们可以用这个宏来实现删除共享内存。

第三个参数是获取共享内存的信息，放在一个结构体当中，如果我们不需要获取直接传nullptr

接口讲完了，接下来用共享内存实现进程间通信

共享内存实现进程间通信

ShareMemory.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
using namespace std;
const string gpath = "/home/llllyrics/112_class";
int gprojid = 0X6666;
//操作系统，申请空间，是按照块为单位的：4kb，1kb，2kb，4mb.......
int gshmsize = 4096;
mode_t gmode = 0600;//权限

const int CREATE = IPC_CREAT | IPC_EXCL | gmode;
const int GET = IPC_CREAT;


class ShareMemory
{
private:
void CreateShmHelper(int flag)
    {
        //创建key
        _key = ftok(gpath.c_str(),gprojid);
        if(_key < 0)//创建失败
        {
            cerr<<"ftok error"<<endl;
            return;
        }
        //让server创建共享内存&&获取
        //注意：共享内存也有权限！在应用层和文件关联度不大，但是在底层和文件关联度大
        _shmid = shmget(_key,gshmsize,flag);//创建
        if(_shmid < 0)//创建失败
        {
            cerr<<"shmget error"<<endl;
            return;
        }
    }
public:
    ShareMemory():_shmid(-1),_key(0),_addr(nullptr){}
    ~ShareMemory(){}

    void CreateShm()
    {
        if(_shmid == -1)
            CreateShmHelper(CREATE);
    }
    void GetShm()
    {
        CreateShmHelper(GET);
    }
    void AttachShm()
    {
        //将共享内存挂接到自己的地址空间当中
        _addr = shmat(_shmid,nullptr,0);//将共享内存挂接到自己的虚拟地址上。
        if((long long)_addr == -1)return;//挂接失败返回nullptr
    }
    void DetachShm()
    {
        if(_addr != nullptr)
        shmdt(_addr);
        cout<<"detach done:"<<endl;
    }
    void DeleteShm()
    {
        int n = shmctl(_shmid,IPC_RMID,nullptr);
        if(n < 0) 
        {
            cout<<"delete failed"<<endl;
            return;
        }
        cout<<"delete shm done"<<endl;
    }
    void* GetAddr()
    {
        return _addr;
    }
    void ShmMeta()
    {

    }
private:
    int _shmid;
    key_t _key;
    void *_addr;
};
ShareMemory shm;

Server.cc

#include "ShareMemory.hpp"
int main()
{
    shm.CreateShm();
    shm.AttachShm();
    //接收----IPC
    char* strinfo = (char*)shm.GetAddr();//获取服务器的虚拟地址

    while(true)
    {
        sleep(1);
        //打印共享地址中的内容
        printf("%s\n",strinfo);
        //
    }
    shm.DetachShm();
    shm.DeleteShm();
    return 0;
}

Client.cc

#include "ShareMemory.hpp"
int main()
{
    shm.GetShm();
    shm.AttachShm();
    //写入----IPC
    char* strinfo = (char*)shm.GetAddr();//获取客户端的虚拟地址
    char ch = 'A';
    while(ch <= 'Z')
    {
        sleep(1);
        strinfo[ch-'A'] = ch;//这里操作共享内存的时候为什么没有用系统调用？
        ch++;
    }
    shm.DetachShm();
    return 0;
}

总结

共享内存作为一种高效的进程间通信机制，因其直接在内存中操作数据，避免了数据拷贝，提供了快速的数据传输方式。通过 shmget、shmat、shmctl 等函数，Linux 系统为我们提供了灵活的共享内存操作接口。尽管共享内存具有显著的性能优势，但由于其没有内建的同步机制，使用时必须特别注意数据的一致性和进程间的同步问题。

在实际应用中，结合信号量、消息队列等同步机制，共享内存可以为多进程间提供高效且稳定的通信手段。然而，开发者需要注意资源的管理与清理，以免造成内存泄漏或数据冲突。

总之，共享内存是一种非常强大的进程间通信工具，但使用时需要小心谨慎，确保数据同步和资源管理得当，才能充分发挥其优势。